Наночастицы были провозглашены потенциальной «прорывной технологией» в биомедицине, универсальной платформой, которая может вытеснить традиционные технологии как в качестве средств доставки лекарств, так и в качестве диагностических инструментов.
Во-первых, исследователи должны продемонстрировать своевременное разрушение этих чрезвычайно маленьких структур, процесс, необходимый для их работы и их способности безопасно удаляться из тела пациента после выполнения своей работы. В новом исследовании представлен уникальный метод прямого измерения деградации наночастиц в реальном времени в биологической среде.
«Наночастицы имеют очень разнообразный дизайн и свойства, но все они должны быть в конечном итоге удалены из организма после того, как они выполнят свою задачу», - сказал кардиолог-исследователь Майкл Чорный, доктор философии, из Детской больницы. Филадельфии (CHOP). «Мы предлагаем новый метод анализа и описания разборки наночастиц, как необходимый шаг в переводе наночастиц в клиническое использование».
Чорни и его коллеги описали эту новую методологию в Proceedings of the National Academy of Sciences, опубликованной в Интернете 3 марта 2014 года, и в печатном выпуске журнала от 18 марта.
Команда CHOP долгое время исследовала биоразлагаемые наночастицы для медицинских применений. Эти частицы диаметром от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров в 10-1000 раз меньше эритроцитов (нанометр равен одной миллионной миллиметра). Одной из основных задач является постоянный мониторинг судьбы наночастиц в модельных биологических условиях и в живых клетках без нарушения клеточных функций.
Точное измерение разборки наночастиц в режиме реального времени непосредственно в представляющих интерес средах, таких как внутренняя часть живой клетки или другие типы сложной биологической среды, является сложной задачей. Нашей целью здесь было разработать такой неинвазивный метод, обеспечивающий непредвзятое результатов», - сказал Чорный. «Эти результаты помогут исследователям адаптировать рецептуры наночастиц для конкретных терапевтических и диагностических применений».
Исследовательская группа использовала физическое явление, называемое резонансной передачей энергии Фёрстера, или FRET, в качестве своего рода молекулярной линейки для измерения расстояния между компонентами их частиц.
Для этого исследователи пометили свои составы флуоресцентными зондами, демонстрирующими безызлучательную передачу энергии, то есть FRET, когда они находятся внутри одной и той же частицы. Результатом этого процесса является особый рисунок флуоресценции, «отпечаток пальца» физически неповрежденных частиц, который постепенно исчезает по мере разборки частиц. Это изменение флуоресцентных свойств наночастиц можно контролировать напрямую, не отделяя частицы от окружающей среды, что позволяет проводить непрерывные неискаженные измерения их целостности.
«Молекулы должны быть очень близко друг к другу, всего в нескольких нанометрах друг от друга, чтобы произошла передача энергии», - сказал Чорни. «Изменения в паттернах флуоресценции чутко отражают кинетику разборки наночастиц. Основываясь на этих результатах, мы можем улучшить конструкцию частиц, чтобы сделать их более безопасными и эффективными».
Скорость разборки очень важна для конкретных потенциальных применений. Например, некоторые наночастицы могут нести лекарство, предназначенное для быстрого действия, в то время как другие должны защищать лекарство и высвобождать его контролируемым образом с течением времени. Адаптация свойств состава для этих задач может потребовать тщательной настройки временных рамок разборки наночастиц. Вот где эта техника может стать ценным инструментом, значительно облегчающим процесс оптимизации
В текущем исследовании ученые проанализировали, как наночастицы распадаются как в жидких и полужидких средах, так и в сосудистых клетках, моделируя судьбу частиц, используемых для доставки терапии к поврежденным кровеносным сосудам. «Мы обнаружили, что разборка, вероятно, происходит быстрее в начале процесса заживления сосудов и замедляется позже. Это может иметь значение для дизайна наночастиц, предназначенных для целенаправленной лекарственной, генной или клеточной терапии сосудистых заболеваний», - сказал Чорни.
Chorny и его коллеги долгое время изучали использование наночастиц, разработанных в качестве носителей, доставляющих антипролиферативные препараты и биотерапевтические препараты в кровеносные сосуды, подверженные опасному рестенозу (повторной закупорке). Многие из этих исследований, проведенных в Кардиологической исследовательской лаборатории соавтора CHOP Роберта Дж. Леви, доктора медицины, используют внешние магнитные поля для направления наночастиц, пропитанных оксидом железа, к металлическим артериальным стентам, узким каркасам, имплантированным в кровеносные сосуды.
Текущее исследование, сказал Чорни, хотя и имеет непосредственное отношение к рестенозной терапии и родоразрешению с использованием магнитных контролей, имеет гораздо более широкое потенциальное применение.«Наночастицы могут быть включены в состав контрастных веществ для диагностической визуализации или могут доставлять противораковые препараты к опухоли», - сказал он. «Наш измерительный инструмент может помочь исследователям разработать и оптимизировать составы наномедицинских препаратов для различных медицинских целей».